Ι. Λαβασάς, Π. Ζέρβας & Γ. Νικολαΐδης Σύμβουλος στατικής μελέτης: Χ. Κ. Μπανιωτόπουλος. Copyright, 2009, Μπανιωτόπουλος Χαράλαμπος, Eκδόσεις Zήτη

Transcript

1

2 Kάθε γνήσιο αντίτυπο φέρει την υπογραφή του συγγραφέα Φωτογραφία εξώφυλλου: Βιβλιοθήκη Τμήματος Πολιτικών Μηχανικών Α.Π.Θ. Αρχιτεκτονική μελέτη: Α. Μ. Κωτσιόπουλος & συνεργάτες αρχιτέκτονες Στατική μελέτη: Ι. Λαβασάς, Π. Ζέρβας & Γ. Νικολαΐδης Σύμβουλος στατικής μελέτης: Χ. Κ. Μπανιωτόπουλος ISBN Copyright, 2009, Μπανιωτόπουλος Χαράλαμπος, Eκδόσεις Zήτη Tο παρόν έργο πνευματικής ιδιοκτησίας προστατεύεται κατά τις διατάξεις του ελληνικού νόμου (N.2121/1993 όπως έχει τροποποιηθεί και ισχύει σήμερα) και τις διεθνείς συμβάσεις περί πνευματικής ιδιοκτησίας. Aπαγορεύεται απολύτως η άνευ γραπτής άδειας του εκδότη κατά οποιοδήποτε τρόπο ή μέσο αντιγραφή, φωτοανατύπωση και εν γένει αναπαραγωγή, εκμίσθωση ή δανεισμός, μετάφραση, διασκευή, αναμετάδοση στο κοινό σε οποιαδήποτε μορφή (ηλεκτρονική, μηχανική ή άλλη) και η εν γένει εκμετάλλευση του συνόλου ή μέρους του έργου. Φωτοστοιχειοθεσία Eκτύπωση Βιβλιοδεσία Π. ZHTH & Σια OE 18 ο χλμ Θεσσαλονίκης - Περαίας T.Θ Περαία Θεσσαλονίκης T.K Tηλ.: Fax: info@ziti.gr BIBΛIOΠΩΛEIO ΘΕΣΣΑΛΟΝΙΚΗΣ - KENTPIKH ΔIAΘEΣH: Aρμενοπούλου Θεσσαλονίκη Tηλ.: Fax sales@ziti.gr BIBΛIOΠΩΛEIO AΘHNΩN - ENΩΣH EKΔOTΩN BIBΛIOY ΘEΣΣAΛONIKHΣ: Στοά του Bιβλίου (Πεσμαζόγλου 5) AΘHNA Tηλ.-Fax: AΠOΘHKH AΘHNΩN - ΠΩΛHΣH XONΔPIKH: Aσκληπιού 60 - Eξάρχεια , Aθήνα Tηλ.-Fax: athina@ziti.gr ΗΛΕΚΤΡΟΝΙΚΟ ΒΙΒΛΙΟΠΩΛΕΙΟ:

3 v στη Νατάσα για τις αρχές της, το κέφι και τη στήριξή της

4 Περηφανεύομαι για τούτο δω το χαλύβδινο μίλι Ολοζώντανο, να, τ όραμά μου προβάλλει Πάλη για την κατασκευή αντίς για ρυθμούς και στυλ Υπολογισμός αυστηρός για μπουλόνια κι ατσάλι * * Η γέφυρα του Μπρούκλιν, Βλαντιμίρ Μαγιακόφσκι, μετάφραση Πέτρος Ανταίος Βλαντιμίρ Μαγιακόφσκι, Ποίηση, Εκδόσεις Οδυσσέας

5 Πρόλογος Οι χαλύβδινες κατασκευές σήμερα αποτελούν εκείνον τον τύπο των φορέων οι οποίοι ανεγείρονται παγκοσμίως όλο και συχνότερα, και σε όλο και μεγαλύτερες διαστάσεις. Ταυτόχρονα, οι σύγχρονοι Δομικοί Κανονισμοί και ειδικότερα η έκδοση των τελικών κειμένων των Ευρωκωδίκων έχουν δημιουργήσει σήμερα ένα ασφαλές πλαίσιο εντός του οποίου ο Μηχανικός καλείται να υλοποιήσει τον σχεδιασμό των χαλύβδινων φορέων. Στο πλαίσιο αυτό η παρούσα έκδοση απευθύνεται στους σπουδαστές των Τμημάτων Πολιτικών Μηχανικών και στους συνάδελφους Πολιτικούς Μηχανικούς οι οποίοι ασχολούνται με σχεδιασμό δομικών έργων και έχει ως στόχο να συμβάλει τόσο στην διάχυση των βασικών αρχών σχεδιασμού οι οποίες εισάγονται με τον Ευρωκώδικα 3, όσο και στην κριτική ανάλυσή τους. Έναυσμα για την συγγραφή αυτού του βιβλίου υπήρξαν ιδέες και παροτρύνσεις του αείμνηστου καθηγητή Παναγή Δ. Παναγιωτόπουλου, ο ξαφνικός θάνατος του οποίου το 1998 στέρησε αφενός τις Επιστήμες του Μηχανικού από την λαμπρή επιστημονική προσωπικότητά του και αφετέρου το στενό επιστημονικό του περιβάλλον από έναν οραματιστή ερευνητή και ταυτόχρονα εξαίρετο δάσκαλο. Οι επιστημονικές συζητήσεις οι οποίες ξεκίνησαν εκείνη την εποχή σχετικά με την εφαρμογή του Ευρωκώδικα 3, συνεχίστηκαν μέχρι σήμερα με όλους τους συναδέλφους του Εργαστηρίου Μεταλλικών Κατασκευών του Τμήματος Πολιτικών Μηχανικών του Αριστοτελείου Πανεπιστημίου Θεσσαλονίκης. Γι αυτό το εποικοδομητικό συναδελφικό περιβάλλον, ευχαριστίες εκφράζονται προς όλους τους συναδέλφους του Εργαστηρίου Μεταλλικών Κατασκευών του Τμήματος Πολιτικών Μηχανικών ΑΠΘ. Ιδιαίτερα ευχαριστίες εκφράζονται προς τον καθηγητή κ. Ε. Μυστακίδη του Τμήματος Πολιτικών Μηχανικών του Πανεπιστημίου Θεσσαλίας για την συμβολή του στην ολοκλήρωση του βιβλίου με την προετοιμασία των Πινάκων Διατομών και προς τον Δρα Πολιτικό Μηχανικό κ. Θ. Νικολαΐδη και τον Διπλ. Πολιτικό Μηχανικό κ. Σ. Γερασιμίδη, για την κριτική επεξεργασία των κεφαλαίων καθ όλη τη διάρκεια συγγραφής του βιβλίου. Θεσσαλονίκη, Νοέμβριος 2009 Ο συγγραφέας

6 Περιεχόμενα ΜΕΡΟΣ Ι ΓΕΝΙΚΑ ΠΕΡΙ ΦΟΡΕΩΝ ΔΟΜΙΚΟΥ ΧΑΛΥΒΑ 1 ΕΙΣΑΓΩΓΗ 1.1 Αντικείμενο και στόχος του βιβλίου Δομή και περιεχόμενο Το κανονιστικό πλαίσιο των Ευρωκωδίκων Γενικά Οι απαιτήσεις του Ευρωκώδικα 3 για τον σχεδιασμό των χαλύβδινων κατασκευών Διασφάλιση της ανθεκτικότητας στις χαλύβδινες κατασκευές Οι συμβάσεις στους Ευρωκώδικες Ορολογία και συμβάσεις Ο προσανατολισμός των αξόνων στα χαλύβδινα μέλη Συμβολισμοί Μονάδες μέτρησης Σύντομη αναφορά στην ιστορική εξέλιξη των κατασκευών από χάλυβα Ανακεφαλαίωση ΣΧΕΤΙΚΑ ΜΕ ΤΟΝ ΔΟΜΙΚO ΧΑΛΥΒΑ 2.1 Ο δομικός χάλυβας Κράματα σιδήρου - άνθρακα Οι θερμικές και επιφανειακές κατεργασίες στους χάλυβες Είδη χάλυβα και ειδικοί χάλυβες Η αντοχή του χάλυβα Οι σταθερές αντοχής και οι ελαστικές σταθερές του χάλυβα Αντοχή σε θραύση Δοκιμή σκληρότητας Τα χαρακτηριστικά αντοχής του χάλυβα στον Ευρωκώδικα Ελατές και συγκολλητές διατομές. Οι πρότυπες σειρές των ελατών διατομών Ανακεφαλαίωση... 62

7 x Κατασκευές από Χάλυβα 3 ΦΑΣΕΙΣ ΚΑΙ ΑΡΧΕΣ ΣΧΕΔΙΑΣΜΟΥ 3.1 Ο ρόλος του μηχανικού στο σχεδιασμό χαλύβδινων κατασκευών Καθορισμός και διερεύνηση κριτηρίων κατά τη φάση του σχεδιασμού Απαιτήσεις εκ μέρους του ιδιοκτήτη/εντολέα Απαιτήσεις μελέτης Προϋπολογισμός εργασιών και κόστους συντήρησης Βέλτιστος συνδυασμός κριτηρίων σχεδιασμού Η προκατασκευή ως θεμελιώδες χαρακτηριστικό των κατασκευών χάλυβα Μέθοδοι υπολογισμού χαλύβδινων κατασκευών Γενικά Η μέθοδος του γεωμετρικού λόγου Η μέθοδος των επιτρεπόμενων τάσεων Η μέθοδος σχεδιασμού οριακών καταστάσεων Αρχές διαστασιολόγησης Η έννοια της ασφάλειας στις χαλύβδινες κατασκευές Οι κατηγορίες δράσεων και οι επιμέρους συντελεστές ασφαλείας Συνδυασμοί των δράσεων για τις οριακές καταστάσεις Συνδυασμοί των δράσεων για οριακές καταστάσεις αστοχίας Συνδυασμοί των δράσεων για οριακές καταστάσεις λειτουργικότητας Eφαρμογή των κανόνων συνδυασμού δράσεων για οριακή κατάσταση αστοχίας Κανόνες συνδυασμού δράσεων για οριακή κατάσταση αστοχίας Συνδυασμός δράσεων στον υπολογισμό τεγίδας Ανακεφαλαίωση...99 ΜΕΡΟΣ ΙΙ ΑΡΧΕΣ ΔΙΑΣΤΑΣΙΟΛΟΓΗΣΗΣ ΜΕΛΩΝ 4 ΜΕΘΟΔΟΙ ΑΝΑΛΥΣΗΣ ΧΑΛΥΒΔΙΝΩΝ ΦΟΡΕΩΝ 4.1 Γενικό πλαίσιο Υπολογισμός εσωτερικών δυνάμεων και ροπών Ενσωμάτωση των ατελειών στην καθολική ανάλυση των χαλύβδινων φορέων Ταξινόμηση διατομών σε κλάσεις Αιτιολόγηση της αναγκαιότητας ταξινόμησης των διατομών Κατηγορίες (κλάσεις) διατομών...117

8 Περιεχόμενα xi Προαπαιτούμενα της εφαρμογής πλαστικού υπολογισμού φορέων Προαπαιτούμενα για την εφαρμογή ελαστικού υπολογισμού φορέων Διατομές κλάσης 4. H έννοια της ενεργού διατομής Αρχές πλαστικού υπολογισμού φορέων Γενικά Η ροπή πλήρους πλαστικοποίησης και ο συντελεστής μορφής Ελαστικός και πλαστικός υπολογισμός αμφίπακτης δοκού ορθογωνικής διατομής Απλές περιπτώσεις πλαστικής ανάλυσης φορέων Mονόπακτη δοκός υπό μοναχικό φορτίο Mονόπακτη δοκός υπό κατανεμημένο φορτίο Επίδραση της μερικής πάκτωσης άκρου στο μηχανισμό πλαστικής κατάρρευσης Θέσεις σχηματισμού πλαστικών αρθρώσεων. Παράδειγμα υπολογισμού φορτίου πλαστικής κατάρρευσης πλαισίου Βασικά θεωρήματα για τον υπολογισμό του φορτίου πλαστικής κατάρρευσης φορέων Εφαρμογή των βασικών θεωρημάτων στον υπολογισμό του φορτίου πλαστικής κατάρρευσης μονώροφου πλαισίου ενός ανοίγματος Σχόλια και παρατηρήσεις OPIAKEΣ KATAΣTAΣEIΣ ΛEITOYPΓIKOTHTAΣ 5.1 Βασικές αρχές Βέλη κάμψης και προτεινόμενες οριακές τιμές τους Απαιτήσεις λειτουργικότητας σε γερανογέφυρες και κτίρια με γερανογέφυρες Δυναμική επιπόνηση λόγω ανθρώπινης δραστηριότητας Απαιτήσεις σχεδιασμού σε δυναμικές επιδράσεις Ανακεφαλαίωση ΟΡΙΑΚΕΣ ΚΑΤΑΣΤΑΣΕΙΣ ΑΣΤΟΧΙΑΣ ΚΑΙ ΦΕΡΟΥΣΑ ΙΚΑΝΟΤΗΤΑ ΔΙΑΤΟΜΗΣ ΜΕΛΟΥΣ 6.1 Οριακές καταστάσεις αστοχίας Φέρουσα ικανότητα διατομής μέλους Φέρουσα ικανότητα διατομής μέλους σε εφελκυσμό Φέρουσα ικανότητα διατομής μέλους σε διάτμηση

9 xii Κατασκευές από Χάλυβα 6.5 Φέρουσα ικανότητα διατομής μέλους σε κεντρική θλίψη Φέρουσα ικανότητα διατομής μέλους σε καμπτική ροπή Φέρουσα ικανότητα διατομής μέλους σε στρέψη Φέρουσα ικανότητα διατομής μέλους σε κάμψη και διάτμηση Φέρουσα ικανότητα διατομής μέλους σε κάμψη και αξονική δύναμη Φέρουσα ικανότητα διατομής σε κάμψη, διάτμηση και αξονική δύναμη Ανακεφαλαίωση ΑΝΤΟΧΗ ΧΑΛΥΒΔΙΝΩΝ ΜΕΛΩΝ ΣΕ ΛΥΓΙΣΜΟ 7.1 Γενικά περί λυγισμού μέλους Ελαστικός λυγισμός ιδεατού υποστυλώματος Λυγισμός στo πλαίσιο της θεωρίας των μεγάλων μετατοπίσεων. Μετακρίσιμη συμπεριφορά Η βράχυνση θλιβόμενου μέλους ως κριτήριο λυγισμού Επίδραση της στερεοπλαστικής ή ελαστοπλαστικής συμπεριφοράς του υλικού στα φαινόμενα λυγισμού Επίδραση των γεωμετρικών ατελειών και της εκκεντρότητας φορτίου στην αντοχή θλιβόμενων μελών Επίδραση των παραμενουσών τάσεων και του νόμου υλικού στην αντοχή θλιβόμενων μελών Αντοχή των μελών σε λυγισμό Μέθοδος υπολογισμού της φέρουσας ικανότητας μέλους σε λυγισμό στο πλαίσιο του Ευρωκώδικα Καμπύλες λυγισμού Λυγηρότητα για καμπτικό λυγισμό Σχετικά με τον καμπτικό λυγισμό μελών σε δικτυωτούς φορείς τριγωνικής μορφής Γωνιακά ως ράβδοι πλήρωσης Μέλη κοίλων διατομών Ανακεφαλαίωση ΤΟΠΙΚΟΣ, ΣΤΡΕΠΤΙΚΟΣ ΚΑΙ ΣΤΡΕΠΤΟΚΑΜΠΤΙΚΟΣ ΛΥΓΙΣΜΟΣ 8.1 Γενικά Τοπικός λυγισμός χαλύβδινων πλακών υπό θλίψη Στρεπτικός λυγισμός χαλύβδινων υποστυλωμάτων Στρεπτοκαμπτικός λυγισμός υποστυλωμάτων...231

10 Περιεχόμενα xiii 8.5 Πλευρικός λυγισμός ή στρέβλωση Μέλη σταθερής διατομής υπό κάμψη και αξονική θλίψη Γενική μέθοδος για τον καμπτικό και στρεπτοκαμπτικό (πλευρικό) λυγισμό δομικών στοιχείων Εξασφάλιση στρεφόμενων πλαστικών αρθρώσεων μελών έναντι πλευρικού λυγισμού Ανακεφαλαίωση ΜΕΡΟΣ ΙΙΙ ΑΡΧΕΣ ΣΧΕΔΙΑΣΜΟΥ ΣΥΝΔΕΣΕΩΝ 9 ΚΟΧΛΙΩΣΕΙΣ 9.1 Γενικά περί συνδέσεων Η γεωμετρία και το υλικό των κοχλιών Βασικές επιπονήσεις και έλεγχοι επάρκειας κοχλιών Κοχλιωτές συνδέσεις μεγάλου μήκους Προεντεταμένοι κοχλίες Δυνάμεις μοχλού σε εφελκυόμενες κοχλιώσεις Κατανομή δύναμης σε κεντρικά και έκκεντρα φορτιζόμενη κοχλιωτή σύνδεση Επιρροή των οπών και καθολική διατμητική απόσχιση Εφαρμογές Εφαρμογή 1. Έλεγχος κοχλιωτής σύνδεσης με μονότμητους κοχλίες υπό εφελκυσμό Εφαρμογή 2. Έλεγχος κοχλιωτής σύνδεσης με δίτμητους κοχλίες υπό εφελκυσμό Εφαρμογή 3. Υπολογισμός διατμητικής δύναμης σχεδιασμού σε κοχλιωτή σύνδεση με μετωπικό έλασμα Ανακεφαλαίωση ΣΥΓΚΟΛΛΗΣΕΙΣ 10.1 Γενικά περί συγκολλητών συνδέσεων Σύνδεση δύο γωνιακών μέσω κομβοελάσματος με συγκόλληση Ενεργό πλάτος συγκολλητής σύνδεσης δοκού - υποστυλώματος Συνδέσεις κοιλοδοκών

11 xiv Κατασκευές από Χάλυβα 10.5 Προσομοίωση αντίστασης εξωραφών Σχεδιασμός εσωραφών μερικής διείσδυσης Σχεδιασμός συγκολλητής σύνδεσης πλήρους αντοχής Ανακεφαλαίωση ΠΡΟΣΟΜΟΙΩΣΗ ΤΗΣ ΔΟΜΙΚΗΣ ΣΥΜΠΕΡΙΦΟΡΑΣ ΤΩΝ ΣΥΝΔΕ- ΣΕΩΝ 11.1 Γενικά Σχεδιασμός συνδέσεων δοκού προς υποστύλωμα Προσομοίωση της εκκεντρότητας χαλύβδινων συνδέσεων Ελαστική καθολική ανάλυση κατασκευών με συνδέσεις σχεδιασμένες πλαστικά Ανακεφαλαίωση ΑΠΛΕΣ ΣΥΝΔΕΣΕΙΣ 12.1 Γενικά Δομική ασφάλεια Διαδικασίες σχεδιασμού Απλές συνδέσεις δοκών-υποστυλωμάτων Απλή σύνδεση μέσω δύο γωνιακών ελασμάτων συνδεδεμένων στον κορμό της δοκού Απλή σύνδεση δοκού προς υποστύλωμα μέσω ενός γωνιακού Απλή σύνδεση δοκού προς υποστύλωμα μέσω εύκαμπτου μετωπικού ελάσματος Απλή σύνδεση δοκού προς υποστύλωμα μέσω πλευρικών λεπίδων κορμού Απλές συνδέσεις δοκών προς δοκούς Απλή σύνδεση δοκού προς δοκό μέσω δύο γωνιακών επί του κορμού Απλή σύνδεση δοκού προς δοκό μέσω εύκαμπτου ακραίου ελάσματος Απλή σύνδεση δοκού προς δοκό μέσω πλευρικών ελασμάτων Συνδέσεις συνέχειας υποστυλωμάτων (ματίσματα) Αντίσταση κοχλιών σε σύνθλιψη άντυγας λαμβάνοντας υπ όψιν τις ανοχές Σύνδεση γωνιακού μέσω ενός ή δύο κοχλιών Στροφική ικανότητα απλών συνδέσεων Σχετικά με τη φέρουσα ικανότητα των απλών συνδέσεων Ανακεφαλαίωση...315

12 Περιεχόμενα xv 13 ΣΥΝΔΕΣΕΙΣ ΠΑΡΑΛΑΒΗΣ ΡΟΠΗΣ 13.1 Γενικά Ανάπτυξη της μεθόδου των συνιστώντων στοιχείων Εφαρμογή της μεθόδου των συνιστώντων στοιχείων Καθορισμός της αντοχής, της δυσκαμψίας και της στροφικής ικανότητας των συνδέσεων παραλαβής ροπής Συντελεστής τροποποίησης δυσκαμψίας n για συνδέσεις μέσω ακραίων ελασμάτων Σχεδιασμός συνδέσεων μεταφοράς ροπής σε πλαίσια Δημιουργία γραμμών διαρροής σε ακραία ελάσματα σύνδεσης για τέσσερις κοχλίες ανά σειρά Κατανομή δυνάμεων σε ακραίες πλάκες μεγάλου πάχους Κατανομή των διατμητικών δυνάμεων σε κοχλιωτή σύνδεση Κόμβοι υπό καμπτική ροπή και αξονική δύναμη Ανακεφαλαίωση ΒΑΣΕΙΣ ΥΠΟΣΤΥΛΩΜΑΤΩΝ 14.1 Γενικά Εφαρμογή της μεθόδου των συνιστώντων στοιχείων Υπολογισμός της ελαστικής αντίστασης βάσης υποστυλώματος Σύγκριση του υπολογισμού της αντοχής σκυροδέματος σε βάσεις υποστυλωμάτων σύμφωνα με τον EC2 και τον EC Συγκέντρωση τάσεων κάτω από την βάση υποστυλώματος Μηχανισμός αστοχίας βάσης υποστυλώματος βάσει προσομοιώματος βραχέος Τ Βάσεις υποστυλωμάτων με κοχλίες εκτός του πλάτους των πελμάτων Μεταφορά των διατμητικών δυνάμεων μέσω αγκυρίων Μεταφορά των διατμητικών δυνάμεων μέσω τριβής και αγκυρίων Κανόνες αγκύρωσης κοχλιών θεμελίωσης (αγκυρίων) Ανακεφαλαίωση Παράρτημα Πίνακες Ελληνική Βιβλιογραφία Διεθνής Βιβλιογραφία Ευρετήριο Όρων

13 1.1 Αντικείμενο και στόχος του βιβλίου Οι χαλύβδινες κατασκευές αποτελούν εκείνο το είδος των φορέων οι οποίοι όλο και συχνότερα ανεγείρονται τις τελευταίες δεκαετίες τόσο παγκοσμίως, όσο τα τελευταία χρόνια και στην Ελλάδα. Επιπλέον, το μέγεθός τους ολοένα και αυξάνεται, τα στατικά τους συστήματα γίνονται όλο και πιο τολμηρά, ενώ συχνά οι διαστάσεις των διατομών των δομικών τους στοιχείων μειώνονται. Υπ αυτήν την έννοια, ο σχεδιασμός των κατασκευών χάλυβα αποκτά για τον μηχανικό όλο και μεγαλύτερη σπουδαιότητα. Στο βιβλίο αυτό επιχειρείται μια συνοπτική κριτική παρουσίαση των βασικών αρχών σχεδιασμού των χαλύβδινων κατασκευών και των μεθόδων διαστασιολόγησης των μελών τους όπως αυτές καθορίζονται από τους σχετικούς Ευρωπαϊκούς Κανονισμούς οι οποίοι ονομάζονται Ευρωκώδικες (Eurocodes). Συγκεκριμένα, στον τόμο αυτόν παρουσιάζονται οι θεμελιώδεις αρχές διαστασιολόγησης, οι ιδιότητες του χάλυβα ως δομικού υλικού, οι βασικές μέθοδοι διαστασιολόγησης των μελών χάλυβα, τα μέσα σύνδεσης και οι βασικές μέθοδοι σχεδιασμού των συνδέσεων στο πλαίσιο του Ευρωκώδικα 3. Το βιβλίο απευθύνεται κυρίως στους φοιτητές των τελευταίων εξαμήνων των Σχολών Πολιτικών Μηχανικών και έχει ως στόχο να χρησιμοποιηθεί ως βοήθημα της διδασκαλίας στα αντίστοιχα μαθήματα των «Μεταλλικών Κατασκευών». Απευθύνεται όμως και σ εκείνους τους μηχανικούς οι οποίοι θα ήθελαν να εμβαθύνουν σε θέματα σχεδιασμού κατασκευών χάλυβα στο πλαίσιο των Κανονισμών οι οποίοι ισχύουν σήμερα στις χώρες της Ευρωπαϊκής Ένωσης. Γι αυτόν ακριβώς το λόγο καταβλήθηκε σημαντική προσπάθεια ούτως ώστε η απαιτούμενη για διδακτικούς λόγους απλότητα να μη μειώσει καθόλου ούτε την ακριβο-

14 4 Μέρος Ι: Γενικά περί φορέων δομικού χάλυβα λογία της παρατιθέμενης θεωρίας, ούτε την ακρίβεια των εφαρμοζόμενων μεθόδων οι οποίες αποτελούν ιδιότητες sine qua non της επαγγελματικής δραστηριότητας του μηχανικού. 1.2 Δομή και περιεχόμενο Στον τόμο αυτόν παρουσιάζονται οι βασικές αρχές και οι μέθοδοι διαστασιολόγησης των μελών και των συνδέσεων οι οποίες εφαρμόζονται για τον σχεδιασμό των χαλύβδινων κατασκευών στο πλαίσιο του Ευρωκώδικα 3. Στο πρώτο μέρος του τόμου αυτού παρατίθενται οι θεμελιώδεις έννοιες και αρχές οι οποίες απαιτούνται για τον σχεδιασμό των κατασκευών χάλυβα. Συγκεκριμένα, στο εισαγωγικό Κεφάλαιο 1 παρουσιάζεται εν συντομίᾳ το κανονιστικό πλαίσιο των Ευρωκωδίκων, οι βασικές συμβάσεις οι οποίες εισάγονται με τον Ευρωκώδικα 3, ενώ γίνεται επίσης μια σύντομη αναφορά στην ιστορική εξέλιξη των χαλύβδινων κατασκευών. Στο Κεφάλαιο 2 περιγράφονται οι ιδιότητες του δομικού χάλυβα, ενώ στο Κεφάλαιο 3 παρουσιάζονται οι φάσεις και οι αρχές σχεδιασμού χαλύβδινων κτιρίων. Στο δεύτερο μέρος του βιβλίου παρουσιάζονται οι αρχές διαστασιολόγησης των μελών των χαλύβδινων φορέων. Στο Κεφάλαιο 4 παρατίθεται το αριθμοϋπολογιστικό πλαίσιο των μεθόδων ανάλυσης των χαλύβδινων φορέων. Το επόμενο Κεφάλαιο 5 αφορά στις Οριακές Καταστάσεις Λειτουργικότητας, ενώ το Κεφάλαιο 6 στις Οριακές Καταστάσεις Αστοχίας και στη φέρουσα ικανότητα των διατομών των μελών. Στα επόμενα κεφάλαια 7 και 8 αναπτύσσονται αντίστοιχα τα θέματα του κεντρικού λυγισμού χαλύβδινων μελών και αυτά του τοπικού, στρεπτικού και στρεπτοκαμπτικού λυγισμού. Το τρίτο μέρος του βιβλίου αφορά στα μέσα σύνδεσης χαλύβδινων μελών και στις μεθόδους σχεδιασμού των συνδέσεων σε κατασκευές χάλυβα. Στο Κεφάλαιο 9 παρουσιάζονται οι κοχλιώσεις, στο Κεφάλαιο 10 οι συγκολλήσεις και στο Κεφάλαιο 11 οι μέθοδοι προσομοίωσης της δομικής συμπεριφοράς των χαλύβδινων συνδέσεων. Στα ακόλουθα Κεφάλαια 12 και 13 περιγράφονται οι αρχές σχεδιασμού των απλών συνδέσεων και των συνδέσεων μεταφοράς ροπής, ενώ το βιβλίο ολοκληρώνεται με το Κεφάλαιο 14 το οποίο αφορά στο σχεδιασμό των βάσεων χαλύβδινων υποστυλωμάτων. Η θεωρία περιγράφει τα βασικά φαινόμενα της Μηχανικής του Στερεού όπως αυτά εμφανίζονται στα χαλύβδινα δομικά στοιχεία, οι μέθοδοι υπολογισμού βα-

15 Κεφ. 1: Εισαγωγή 5 σίζονται στις επιταγές και στις αναλυτικές σχέσεις του Ευρωκώδικα 3 και των λοιπών Ευρωκωδίκων, ενώ ορισμένες απλές αριθμητικές εφαρμογές χρησιμοποιούνται ως επεξηγηματικά παραδείγματα. Σχηματικά η δομή του βιβλίου και τα επιμέρους γνωστικά αντικείμενα τα οποία αυτό πραγματεύεται, παρουσιάζονται στον Πίνακα Πίνακας 1.2.1: Δομή του βιβλίου Μέρος Ι ΓΕΝΙΚΑ ΠΕΡΙ ΦΟΡΕΩΝ ΔΟΜΙΚΟΥ ΧΑΛΥΒΑ ΙΙ ΑΡΧΕΣ ΔΙΑΣΤΑΣΙΟΛΟΓΗ- ΣΗΣ ΜΕΛΩΝ ΙΙΙ ΑΡΧΕΣ ΣΧΕΔΙΑΣΜΟΥ ΣΥΝΔΕΣΕΩΝ Κεφάλαιο Κεφ. 1: Κεφ. 2: Κεφ. 3: Κεφ. 4: Κεφ. 5: Κεφ. 6: Κεφ. 7: Κεφ. 8: Εισαγωγή Σχετικά με τον δομικό χάλυβα Φάσεις και αρχές σχεδιασμού Μέθοδοι ανάλυσης χαλύβδινων φορέων Οριακές Καταστάσεις Λειτουργικότητας Οριακές Καταστάσεις Αστοχίας και φέρουσα ικανότητα διατομής μέλους Αντοχή χαλύβδινων μελών σε λυγισμό Τοπικός, στρεπτικός και στρεπτοκαμπτικός λυγισμός Κεφ. 9: Κοχλιώσεις Κεφ. 10: Συγκολλήσεις Κεφ. 11: Προσομοίωση της δομικής συμπεριφοράς των συνδέσεων Κεφ. 12: Απλές συνδέσεις Κεφ. 13: Συνδέσεις παραλαβής ροπής Κεφ. 14: Βάσεις υποστυλωμάτων Σημειώνεται ότι το βιβλίο υποδιαιρείται σε: κεφάλαια τα οποία συμβολίζονται με έναν αριθμό και συνοδεύονται από τον τίτλο τους, υποκεφάλαια τα οποία συμβολίζονται με τον αριθμό του κεφαλαίου ο οποίος ακολουθείται από τον αριθμό του αντίστοιχου υποκεφαλαίου. Οι δύο αυτοί αριθμοί διαχωρίζονται από μια τελεία και συνοδεύονται από τον αντίστοιχο τίτλο τους, και

16 6 Μέρος Ι: Γενικά περί φορέων δομικού χάλυβα παραγράφους οι οποίες συμβολίζονται με τρεις αριθμούς εκ των οποίων ο πρώτος αντιστοιχεί στο κεφάλαιο, ο δεύτερος αντιστοιχεί στο υποκεφάλαιο και ο τρίτος στον αύξοντα αριθμό της παραγράφου, διαχωρίζονται μεταξύ τους από τελείες και συνοδεύονται από τον τίτλο τους. Οι εξισώσεις αριθμούνται με δύο αριθμούς εκ των οποίων ο πρώτος αντιστοιχεί στο κεφάλαιο και ο δεύτερος στον αύξοντα αριθμό της κάθε εξίσωσης εντός του αντίστοιχου κεφαλαίου. Τα Σχήματα και οι Πίνακες αριθμούνται με τρεις αριθμούς εκ των οποίων οι δύο πρώτοι αντιστοιχούν στο υποκεφάλαιο όπου γίνεται η σχετική αναφορά, ενώ ο τρίτος αριθμός αποτελεί τον αύξοντα αριθμό τους. 1.3 Το κανονιστικό πλαίσιο των Ευρωκωδίκων Γενικά O Eυρωκώδικας 3 Σχεδιασμός κατασκευών από χάλυβα (EN Eurocode 3 - Design of steel structures) αποτελεί σήμερα το πλαίσιο αρχών και κανόνων εφαρμογής για τον ασφαλή σχεδιασμό των κατασκευών από χάλυβα σε όλα τα Ευρωπαϊκά κράτη τα οποία συμμετέχουν στην Ευρωπαϊκή Επιτροπή Τυποποίησης. Ως γνωστόν, στα τέλη της δεκαετίας του 80 η Επιτροπή των Ευρωπαϊκών Κοινοτήτων ανέλαβε την πρωτοβουλία της καθιέρωσης ενός συνόλου τεχνικών κανόνων για τον σχεδιασμό των κτιρίων και των λοιπών τεχνικών έργων ειδικότητας Πολιτικού Μηχανικού οι οποίοι σε αρχικό στάδιο θα μπορούσαν να χρησιμοποιηθούν εναλλακτικά στη θέση των ποικίλων υφιστάμενων εθνικών τεχνικών κανονισμών στα κράτη-μέλη και σε τελικό στάδιο θα τους αντικαθιστούσαν. Οι τεχνικοί αυτοί κανόνες είναι γνωστοί ως Δομικοί Ευρωκώδικες (Structural Eurocodes). Το 1990 ανατέθηκε από την Ευρωπαϊκή Επιτροπή στην Ευρωπαϊκή Επιτροπή Τυποποίησης * (CEN - Comité Européen de Normalisation - European Committee for Standardization) η ευθύνη της σύνταξης, δοκιμαστικής εφαρμογής και οριστικοποίησης των Δομικών Ευρωκωδίκων. Μέσα λοιπόν, στην δεκαετία του * Μέλη του CEN είναι οι Εθνικοί Οργανισμοί Τυποποίησης της Αυστρίας, Βελγίου, Γαλλίας, Γερμανίας, Δανίας, Ελβετίας, Ελλάδας, Ισλανδίας, Ισπανίας, Ιταλίας, Λουξεμβούργου, Μεγάλης Βρετανίας, Νορβηγίας, Ολλανδίας, Πορτογαλίας, Σουηδίας και Φινλανδίας.

17 Κεφ. 1: Εισαγωγή 7 90 η Τεχνική Επιτροπή 250 της Ευρωπαϊκής Επιτροπής Τυποποίησης (CEN/TC250) δημοσιοποίησε και έθεσε αρχικά σε δοκιμαστική, και στη συνέχεια σε πλήρη εφαρμογή στα Ευρωπαϊκά κράτη τα οποία συμμετέχουν στη CEN, τους εξής Δομικούς Ευρωκώδικες: EN 1990 Ευρωκώδικας 0 «Βασικές αρχές σχεδιασμού» EN 1991 Ευρωκώδικας 1 «Δράσεις στις κατασκευές» EN 1992 Ευρωκώδικας 2 «Σχεδιασμός κατασκευών από οπλισμένο σκυρόδεμα» EN 1993 Ευρωκώδικας 3 «Σχεδιασμός κατασκευών από χάλυβα» EN 1994 Ευρωκώδικας 4 «Σχεδιασμός σύμμικτων κατασκευών από χάλυβα και οπλισμένο σκυρόδεμα» EN 1995 Ευρωκώδικας 5 «Σχεδιασμός ξύλινων κατασκευών» EN 1996 Ευρωκώδικας 6 «Σχεδιασμός κατασκευών από τοιχοποιία» EN 1997 Ευρωκώδικας 7 «Γεωτεχνικός σχεδιασμός» EN 1998 Ευρωκώδικας 8 «Σχεδιασμός αντισεισμικών κατασκευών» EN 1999 Ευρωκώδικας 9 «Σχεδιασμός κατασκευών από αλουμίνιο» Οι Κανονισμοί αυτοί εισήγαγαν μια νέα φιλοσοφία στις μεθοδολογίες σχεδιασμού των διαφόρων τύπων κατασκευών η οποία βασίζεται πλέον στη θεώρηση της συνολικής συμπεριφοράς των εξεταζόμενων κατασκευών σε οριακές καταστάσεις όσον αφορά στην αντοχή και στη λειτουργικότητά τους και όχι στον έλεγχο της μέγιστης αναπτυσσόμενης τάσης στις πιο κρίσιμες διατομές τους από πλευράς αντοχής. Η θεμελιώδης αλλαγή η οποία επήλθε με την εισαγωγή του Ευρωκώδικα 3 στις μελέτες των χαλύβδινων κατασκευών σε σχέση με τους παλαιότερους Κανονισμούς βρίσκεται στην υποκατάσταση της μεθόδου των επιτρεπόμενων τάσεων (admissible stresses) η οποία ήταν σε εφαρμογή μέχρι πρότινος και στην Eλλάδα (DIN 4114, DIN 1050, DIN 4100 κ.ο.κ.) από την μέθοδο των οριακών καταστάσεων (limit states). H τελευταία η οποία βασίζεται στη χρήση επιμέρους συντελεστών ασφαλείας (partial safety factors), παρά το γεγονός ότι απαιτεί την εκτέλεση πιο περίπλοκων ελέγχων απ ότι οι προηγούμενοι κανονισμοί, οδηγεί αφενός σε ορθολογικότερη διαστασιολόγηση και αφετέρου σε σχεδιασμό όλο και πιο τολμηρών, αλλά ταυτόχρονα ασφαλέστερων κατασκευών χάλυβα. Οι επιμέρους συντελεστές ασφαλείας, γ οι οποίοι χρησιμοποιούνται στον Κανονισμό, είναι αριθμοί μεγαλύτεροι ή ίσοι της μονάδας με τους οποίους είτε πολλαπλασιάζονται οι δράσεις οι οποίες εφαρμόζονται στην κατασκευή, είτε διαι-

18 8 Μέρος Ι: Γενικά περί φορέων δομικού χάλυβα ρούνται οι αντιστάσεις (δηλαδή η φέρουσα ικανότητα και οι σταθερές υλικού) των μελών της κατασκευής. Προκειμένου να αποφευχθεί η χρήση μεγάλου αριθμού επιμέρους συντελεστών ασφαλείας οι οποίοι αφορούν στις κατασκευές από χάλυβα, χρησιμοποιούνται δύο μόνον κατηγορίες τιμών γι αυτούς: α) οι τιμές γ Μ1 =1.0 οι οποίες αφορούν στις αντιστάσεις οι οποίες συσχετίζονται με την τάση διαρροής του χάλυβα f y (π.χ. για όλα τα φαινόμενα πλαστικοποίησης / αστάθειας) και β) οι τιμές γ Μ2 =1.25 οι οποίες αφορούν στις αντιστάσεις οι οποίες συσχετίζονται με την οριακή εφελκυστική αντοχή f u (π.χ. για την καθαρή διατομή μέλους υπό εφελκυσμό ή για αντιστάσεις συγκολλήσεων ή κοχλιώσεων). Για ειδικές περιπτώσεις χρησιμοποιούνται επίσης και γ) οι επιμέρους συντελεστές ασφαλείας γ Μ0 =1.0. Για τους επιμέρους συντελεστές ασφαλείας στο σχεδιασμό κτιρίων, επιτρέπεται από τις Αρχές κάθε κράτους-μέλους να επιλεγεί διαφορετική αριθμητική τιμή από τις προηγούμενες συνιστώμενες τιμές (π.χ. η τιμή 1.1 αντί της τιμής 1.0 ). Σημειώνεται ότι μεταξύ των πολλών νέων στοιχείων τα οποία εισάγονται με τον Eυρωκώδικα 3 πέραν των προαναφερθέντων, θα μπορούσαν να αναφερθούν και η αλλαγή του συστήματος αξόνων σε μια διατομή ( y, z αντί x, y ), η χρήση των μονάδων του συστήματος S.I., η υιοθέτηση μειωμένης αντοχής στα ελάσματα μεγάλου πάχους (άνω των 40 mm), η ταξινόμηση των διατομών σε κλάσεις με κριτήριο την πιθανότητα εμφάνισης σ αυτές φαινομένων διαρροής ή τοπικού λυγισμού κ.ο.κ. Ειδικά, όσον αφορά στα θέματα ασφάλειας στις χαλύβδινες κατασκευές, στον Ευρωκώδικα 3 καθορίζονται ορισμένες ενδεικτικές τιμές (indicative values) οι οποίες στο κείμενο του Κανονισμού δίδονται εντός πλαισίου, για τις οποίες προβλέπεται ότι οι Αρχές του κάθε κράτους-μέλους καθορίζουν τις αντίστοιχες οριστικές τιμές. Γενικά, η εφαρμογή του Κανονισμού γίνεται σε συνδυασμό με τα Εθνικά Κείμενα Εφαρμογής - ΕΚΕ (National Application Documents - NADs) όπου μεταξύ άλλων καθορίζονται οι προαναφερόμενες οριστικές τιμές σχετικά με θέματα ασφάλειας, γίνεται αναφορά στα πρότυπα τα οποία είναι συμβατά με τον Ευρωκώδικα 3 και ταυτόχρονα παρέχονται γενικές οδηγίες εφαρμογής του Κανονισμού σε εθνικό επίπεδο. Στο σημείο αυτό σημειώνεται ότι οι κανόνες ορθών διαδικασιών οι οποίες πρέπει να τηρούνται κατά την εκτέλεση των εργασιών σε ένα τεχνικό έργο από χάλυβα παρέχονται από μια σειρά άλλων Ευρωπαϊκών Προτύπων (π.χ. το ΕΝ 1090 Εκτέλεση κατασκευών χάλυβα-τεχνικές απαιτήσεις (Execution of steel structures-technical requirements).

19 Κεφ. 1: Εισαγωγή 9 Ο Ευρωκώδικας 3 (ΕΝ :2004) αποτελείται από τα εξής τμήματα: ΕΝ Γενικοί κανόνες και κανόνες για κτίρια ΕΝ Γέφυρες από χάλυβα ΕΝ Πύργοι, ιστοί και καπνοδόχοι ΕΝ Σιλό, δεξαμενές και σωληνώσεις ΕΝ Πάσσαλοι ΕΝ Κατασκευές που στηρίζουν γερανογέφυρες Τα Τμήματα 3-2 έως 3-6 βασίζονται στους γενικούς κανόνες οι οποίοι παρουσιάζονται στο Τμήμα 3-1, ενώ ταυτόχρονα οι κανόνες οι οποίοι δίδονται στα Τμήματα αυτά συμπληρώνουν το εισαγωγικό Τμήμα 3-1. Το Τμήμα 3-1 (ΕΝ Γενικοί Κανόνες και κανόνες για κτίρια) αποτελείται από τα εξής επιμέρους κεφάλαια: ΕΝ Γενικοί κανόνες και κανόνες για κτίρια ΕΝ Σχεδιασμός για φωτιά ΕΝ Λεπτότοιχα μέλη ψυχρής έλασης και χαλυβδόφυλλα ΕΝ Ανοξείδωτοι χάλυβες ΕΝ Μέλη από επίπεδα ελάσματα ΕΝ Αντοχή και ευστάθεια των κελυφωτών κατασκευών ΕΝ Αντοχή και ευστάθεια επίπεδων ελασμάτων με εγκάρσια φόρτιση ΕΝ Σχεδιασμός κόμβων ΕΝ Αντοχή των κατασκευών από χάλυβα σε κόπωση ΕΝ Επιλογή χάλυβα για αντοχή σε κρούση και ιδιότητες κατά το πάχος του υλικού ΕΝ Σχεδιασμός κατασκευών με εφελκυόμενα στοιχεία από χάλυβα Το βασικό κείμενο των Τμημάτων του Ευρωκώδικα 3 συμπληρώνεται από ορισμένα κανονιστικά (normative) ή πληροφοριακά (informative) Παραρτήματα (Annexes). Σημειώνεται ότι τα κανονιστικά παραρτήματα επέχουν ισότιμη θέση με τα κεφάλαια του Ευρωκώδικα. Στα Παραρτήματα θίγονται ορισμένα ειδικά θέματα όπως είναι δείγματος χάριν η στατική ανάλυση λαμβάνοντας υπ όψιν τη μη γραμμικότητα του υλικού και οι απλοποιητικές διατάξεις για τον σχεδιασμό συνεχών δοκών δαπέδου (Τμήμα ΕΝ , Παράρτημα ΑΒ (Πληροφοριακό)). Ο Κανονισμός συμπληρώνεται επίσης από ορισμένα Πρότυπα ΕΝ και ΕΝ ISO. Μεταξύ αυτών των προτύπων αναφοράς, ιδιαίτερη μνεία πρέπει να γίνει για το

20 10 Μέρος Ι: Γενικά περί φορέων δομικού χάλυβα πρότυπο EN10025 το οποίο αφορά στις ιδιότητες τις οποίες παρουσιάζουν οι συγκολλήσιμοι δομικοί χάλυβες (weldable structural steels) και ειδικά, οι χάλυβες S235( Fe 360), S275( Fe 430) και S355( Fe 510) οι οποίοι χρησιμοποιούνται σχεδόν κατ αποκλειστικότητα στην κατασκευή των χαλύβδινων φορέων Οι απαιτήσεις του Ευρωκώδικα 3 για τον σχεδιασμό των χαλύβδινων κατασκευών Στον σχεδιασμό των κατασκευών χάλυβα, μετά την εκτέλεση των απαιτούμενων υπολογισμών με τα κατάλληλα υπολογιστικά προσομοιώματα, θα πρέπει να ικανοποιούνται οι εξής συνθήκες: Στην Οριακή Κατάσταση η οποία αφορά στη στατική ισορροπία, στις μετατοπίσεις ή στις παραμορφώσεις της χαλύβδινης κατασκευής πρέπει να ικανοποιείται η ανισότητα E E (1.1) dstb, ddst, δηλαδή το αποτέλεσμα των σταθεροποιητικών δράσεων (stabilizing actions) E dstb, πρέπει πάντοτε να είναι ίσον ή μεγαλύτερο από το αποτέλεσμα των αποσταθεροποιητικών δράσεων (destabilizing actions) E ddst,. Στην Οριακή Κατάσταση η οποία αφορά σε θραύση ή σε υπερβολική παραμόρφωση διατομής, μέλους ή σύνδεσης πρέπει να ικανοποιείται η σχέση R S (1.2) d d δηλαδή η αντίσταση σχεδιασμού διατομής, μέλους ή σύνδεσης R d πρέπει να είναι ίση ή μεγαλύτερη της τιμής σχεδιασμού των αντίστοιχων εσωτερικών δυνάμεων και ροπών S d. Στην Οριακή Κατάσταση η οποία αφορά στην επίδραση των δράσεων πρέπει να ικανοποιείται η ανισότητα C E (1.3) d d δηλαδή η φέρουσα ικανότητα σχεδιασμού της κατασκευής για τις δράσεις C d πρέπει να είναι ίση ή μεγαλύτερη της τιμής σχεδιασμού των αντίστοιχων δράσεων E d. Επομένως, για κάθε πιθανό συνδυασμό φόρτισης, η συνολική αντίσταση της χαλύβδινης κατασκευής επιβάλλεται να υπερτερεί της οιασδήποτε πιθανής εντατικής κατάστασής της.